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地震观测与数字化

地震观测与数字化
    一、地震观测的目的和内客(或:为什么要进行地震观测?)
    对于人类,地震既是一种能带来灾难的自然灾害,又是人类认识地球内部结构和演化的一种有力工具。作为一种自然灾害,人们需要了解地震的孕育、发生和发展的规律,以及地震造成的效应,以便采取相应的预测和预防措施,使地震造成的灾害减至最小程度;作为人类认识地球内部结构和演化的工具,就要设法充分利用地震发生时激发的地震波所携带的关于震源和地球介质的信息。所以,不论是为了减轻地震灾害,还是为了利用地震作为一盏灯去瞬间照亮地球内部以了解地球,首先要进行观测,这就是我们通常所说的“地震观测”。
由于地震发生在地下几公里、几十公里、甚至几百公里的深处,而且我们在一次地震发生之前又无法知道地震发生的确切时间和地点,所以对地震震源无法进行直接的观测,只能观测由地震激发的地震波传播到地面时引起的地面运动,通过对地面运动的记录,反演出有关震源的信息,例如计算出这次地震发生的时间、地点、深度和地震的大小(通常用震级表示)。这就如同闭着眼睛听人敲一口钟一样,如果您的双耳听力都健全,那么您不仅能根据声音知道有人敲了钟,还能估计出敲的力度,并判断出钟所在的方向。但对于本文作者,情况就不同了,由于一只耳朵的听力已近于零,仅靠一只耳朵,即使听到了声音都不知声音来自何方。基于类似的道理,对地震波造成的地面运动的观测需要有许多地震观测仪器(称作地震计)放在不同的地点(称作地震台)。而且每个地震台还安装不同的地震计去观测地震造成的地面不同方向的运动(南北向、东西向和垂直向),即所谓三分向地震观测。这种对地震激发的地震波所造成的地面运动的观测是在传统意义上的地震观测,俗称为“测震”,而更广泛意义的地震观测,还包括了为地震预测和预报的目的进行的对地震相关现象的观测,称作“地震前兆观测”,其观测的主要目的是要抓住大地震发生之前的先兆。地震前兆观测的内容很广泛,其中一些观测原本是对地球物理场进行的基本观测,例如地磁场观测、重力场观测、大地形变场观测等。因此,在地震行业所说的地震前兆观测,实质上包含了许多可以用于地球科学研究的对地球物理场及其他物理量或化学量的科学观测,按照现在地震部门的一般分类方法,地震前兆观测包括电磁观测类、地形变观测类和地下流体观测类。为了便于说明,在以下各节中所讲的都是传统意义上的地震观测,即对地震波引起的地面振动的观测。
    二、地震观测的基本环节
    要观测地面运动,首先要有一个传感器,这个传感器与地面紧密接触,在地面发生振动时,这个传感器便把地面振动转换成相应的电信号作为传感器的输出。为监测地震而使用的这种传感器就称作“地震计”。除了地震波传播到地面时会引起地面振动外,还有其他类型的振动源,如海浪、风暴、车辆、人的各种活动等,都会引起地面振动。因此,不仅在发生地震时,就是在平时,地面总是在振动,所以地震计总有反映地面振动的电信号输出。平时的地面振动对地震信号的观测有一定影响,我们把这种地面振动称作“地动噪声”。在一些地方,由于地面的地动噪声偏高,影响对地震监测的灵敏度,于是把地震计放入几百米甚至更深的井孔中,这种地震计称作井下地震计。地动噪声随深度衰减,因而井下地震计可以比同一地方的地面地震计更好地记录较弱的地震波信号。
地震计的输出信号需经过一定的加工。对地震计输出信号进行加工的装置可以称作“信号调整装置”,它可以对地震计输出信号进行放大、数字化、滤波等处理,使输出的信号更适于记录和使用。接下来是信号传输设备,用于把“信号调整装置”的输出传送到记录装置。有时,信号转输设备可以只是一根电缆线。用于把信号调整装置的输出与记录装置的输入连接起来。当今许多有人值守的地震台上便是这种情况。这时,把地震计和记录装置作为一个系统,总称为“地震仪”。但有时,从信号调整装置到记录装置之间有较大距离,有几公里、几十公里、甚至几百公里或更远。这时便需要有适当的信号转输设备,用于通过有线信道(如电话线)、无线信道(如超短波电台、人造卫星)等通信链路把地震信号传送过去,这就是所说的地震遥测系统。例如一个遥测地震台网,包含若干个台站,每个台站上有地震计、信号调整装置及信号传输设备的发送端;在台网中心,有信号转输设备的接收端及与之相连的记录装置。记录装置有多种形式。自19世纪末出现现代地震计以来,沿用至今的一种记录装置是“滚筒式”记录器。记录器上的换能器就是把接收的电信号转换成光柱的偏转(利用照相纸记录)或记录笔头的摆动(墨水记录、热敏纸记录或熏烟记录)。这样得到的记录图纸就是人们通常所说的“地震图”。上面说到的反映地面运动的电信号以及在地震图上的地动记录曲线都是连续的,分别称作“模拟”信号和“模拟记录地震图”。利用模拟记录地震图,曾获得了许多关于地震及地球内部结构的信息。例如地球内部的分层结构,即地球从外到内有地壳、地幔和地核,地核又分为外核和内核,以及各层的平均厚度,就是通过对模拟记录地震图的分析,从地震记录波形上读取数据,经过计算得出的。然而,模拟记录的地震观测系统有许多不足之处,限制了对地震信息的获取,而且对模拟地震图不便于进行更多的分析处理。随着现代信息技术的发展和推广应用,数字化地震观测已经在逐步取代模拟地震观测系统,成为地震观测的主流。
    三、数字地震观测的特点和优点
    数字地震观测系统与模拟地震观测系统的外在区别在于数字地震观测系统记录下来的是数字数。这些数字数存储在计算机的存储器(内存和硬盘)中,可以转存到软盘、光盘或磁带中,可以通过打印机打印出来,可以在屏幕上显示出相应的曲线,也可以再转换成模拟量,形成类似于传统地震图的记录曲线。在没有运行数字地震观测系统之前,为了对地震图上记录的地震波形进行计算机处理,曾采用人工手段对地震波形记录进行数字化。其基本作法是在记录曲线上按一定时间间隔取点(称作“采样”)例如每0.5秒取一点,然后用标尺量取该点相对于平均基线的偏移值(称作“量化”)。由于标尺的刻度和人工读取数据的分辨力的限制,读出数据的有效位数有限,其数值与实际偏移值之间的差值称作“量化误差”。现在有了数字化地震观测系统,由地震计输出的模拟电信号被数据采集器(一种特殊的信号调整装置)中的模拟-数字转换器进行“采样”和“量化”,于是数据采集器输出的是用二进制位编码的数字数,它们被收集到计算机中并存储在计算机硬盘,进而存储在其他计算机可读的介质中,如软磁盘或光盘上,供科研人员进一步分析。采用数字化地震观测系统获取数字化地震波形数据、给地震监测、大地震速报、地震和地球物理科学研究带来了极大好处。
    首先,由于数定化系统的引入,加上新型地震计的使用,有可能获取宽频带、大动态范围的地震波记录,从而得到关于地震震源和地震介质的更丰富、更完全和更真实的信息。所谓“宽频带”,是指能记录从几十Hz(例如40Hz)到周期几百秒(例如360秒)甚至到直流的地动信号:所谓“大动态范围”,即允许使用同一系统对于从微震到特别大地震的信号都能记录下完整的地震波形。这大信号与小信号相比,可以相差6~7个量级,即大信号的幅度可达到小信号幅度的100万倍以上,而以往的模拟记录系统,只能达到2~3个量级。这样,如果把一个模拟观测系统调节到比较灵敏,可记录小的地震事件,那么同一地方发生的大地震事件的波形就可能被“限幅”,即把超过一定幅度的信号削去了,从而造成波形畸变;反之,如果把模拟地震监测系统调节到适于记录大地震事件的波形,那么系统就会很不灵敏,记不到小地震事件。数字化地震观测系统克服了这一问题。
    第二,由于数字地震观测系统把地震波形记录在计算机中,因而便于用计算机进行处理。通过自动处理和人机交互处理,能从地震记录中快速读取数据,进行震源位置和地震大小的测定。这样,在大地震发生之后,可快速测定出震中位置(震中经度和纬度)、震源深度、发震时刻和震级。这为采取大地震应急对策,进行抗震救灾争取了宝贵的时间。
第三,由于数字化地震记录中包含了更丰富的关于地震震源和地球介质的信息,而且地震记录便于用计算机处理,因此,数字地震记录特别适用于对地震震源和地球内部结构的研究。例如,以往用传统的震级来描述地震的大小,而当地震太大时,用地震记录得到的传统的震级(如通常所说的里氏震级)却大不上去,即出现所谓震级“饱和”现象。而用数字地震记录进行分析处理,得到所谓“矩震级”,便可以更准确地描述地震的大小。例如著名的1960年智利大地震,原来定的所谓里氏震级是8.5级而采用“矩震级”得到的是9.2级。利用对数字地震记录的分析,可以清楚地推断出大地震发生的瞬间在地震震源处发生的破裂过程。
总之,数字地震观测是当今世界进入数字时代在地震监测方面的具体表现,因此可以说是世界发展潮流。
    四、我国数字地震观测的发展概况
    1976~1984年我国完成的电信传输区域地震台网建设,建成了北京、沈阳、兰州、成都、昆明和上海6个区域地震台网(北京台网是在原有台网基础上扩建)。这些台网的地震信号通过电话线传到各自的台网中心,并在台网中心进行数字化,进而在计算机中进行分析处理。可以说,这在当时已经形成了“初级阶段”的数字地震观测台网。说它是初级的,是因为从地震台传送到台网中心的地震信号还是模拟信号,所以这样的数字系统还没有充分表现出数字地震观测的优越性。80年代中,通过中美地震科技合作计划,在我国建立了由11个数字化地震台组成的中国数字地震台网(CDSN)。在各地震台上利用磁带进行数字记录,并定期将记录磁带邮寄到位于北京的CDSN 数据管理中心进行分析处理。CDSN台网的数字地震记录为地震科学研究提供了宝贵的数据,但这种记录方式不适用于大地震的快速响应。
    在我国“八五”计划期间,我国数字地震观测技术(包括地震和地震前兆观测技术)有了长足的发展,研制出一批数字地震观测设备,从而可以替代进口设备,为“九五”计划期间我国的数字化地震观测台网的快速发展奠定了技术基础和人才基础。“九五”计划期间,加快了我国数字地震观测台网的建设。到“九五”计划结束时,我国将建成国家级数字地震台网,其中包括47个国家级数字地震台站,台上配备甚宽频带地震计和数据采集设备;通过卫星信道把数字地震记录传送到位于北京的国家数字地震台网中心进行存储和处理。还将建成30个区域数字地震台,作为国家台网的补充。原来的6个模拟传输的区域地震台网以及一些遥测台网将完成数字化改造。在地震前兆观测方面,将对我国重点地震监视区的前兆观测台网进行数字化改造。随着“九五”计划的完成,我国将形成布局比较合理、设备比较先进而且以国产设备为主的国家级和省级的数字地震观测台网,在一些有条件的市也将建设地方级的数字地震台网。人们有理由相信,这些台网的运行将为我国防震减灾工作和地震科学研究作出重大贡献。
    这里还应该提到我国台湾省的数字地震观测。经过20年来的建设和发展,在台湾已经形成了一个密集的区域数字地震台网,在大地震快速响应方面有其特色,并为其他地区借鉴。我们希望福建省和台湾省的数字地震观测资料能结合起来共同分析,这对于监测台湾海峡的地震活动和开展相应的研究工作将大有裨益。

  

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